哈佛大学锁志刚院士与西安交大唐敬达副教授《Matter》：抗疲劳复合水凝胶，模拟生物心脏瓣膜

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力学性能的优劣是决定水凝胶应用的关键因素。自2003年以来，研究人员相继采用双网络等策略实现了水凝胶的高模量、高强度及高断裂韧性。近年来，人们发现高强度水凝胶的疲劳性能较差，难以媲美生物组织，制约着其进一步发展。因此，抗疲劳水凝胶的研究成为领域内关注的焦点。

近日，西安交通大学唐敬达副教授与美国哈佛大学锁志刚院士等人模拟生物心脏瓣膜的软硬相异质结构，使用数字光固化打印技术（Digital Light Processing, DLP）制备了两相复合水凝胶，同步实现了水凝胶材料的复杂形状和高疲劳门槛值。研究成果以Fabricating hydrogels to mimic biological tissues of complex shapes and high fatigue resistance为题发表在Cell 姊妹刊《Matter》上。

生物组织（心脏瓣膜、肌腱、声带等）往往具有复杂的形状和良好的抗疲劳性质，以实现特定的生物功能，例如心脏瓣膜在人的一生中平均需开合~10亿次，而不发生破坏。解剖学显示心脏瓣膜具有高度各向异性的复杂结构，由细胞外基质及胶原蛋白纤维（collagen）、弹力蛋白纤维组成，是典型的纤维-基体复合材料（图1）；并且基体和纤维均含有大量水分，属于天然水凝胶材料。瓣膜的复杂形状保证了其血流调节功能，而纤维基体复合结构保证了其良好的抗疲劳性能。水凝胶具有与生物组织相似的组分，由大量的水份(30-80 wt %)和柔性聚合物网络组成。科学家们一直致力于以水凝胶模拟生物组织，希望将其用于组织修复、再生医学及软体机器人等领域，然而目前合成的水凝胶疲劳性能较差，极大地限制了其应用空间。

图1. 心脏瓣膜结构示意图

复合水凝胶的制备

研究人员设计了具有异质结构的复合水凝胶来实现复杂形状和高疲劳门槛值。复合水凝胶由硬骨架和软基体组成（图2 B），两种组分都是可拉伸水凝胶材料，具有显著的模量差异，在界面上形成较强的拓扑粘接（图2 C）。制备过程如下：首先采用DLP打印技术，以高引发效率的改性TPO引发剂打印复杂形状的水凝胶骨架（图2 D）；然后将骨架结构进行强化，使其具有较高的模量（图2 E），且保证在下一步注模过程中不产生明显溶胀；最后将其置于模具中与基体材料进行复合（图2F）。

图2. 抗疲劳复合水凝胶的制备过程

研究人员采用常见的材料体系展示了抗疲劳复合水凝胶的设计策略。以Fe3+交联的聚丙烯酰胺-聚丙烯酸（PAAm-PAA）水凝胶作为硬骨架水凝胶（模量~1 MPa，图3A-F）， 以PAAm水凝胶作为软基体水凝胶（模量~0.01-0.1 MPa），制备了不同图案的复合水凝胶（图3G-I）。这种设计策略适用于各种不同的材料体系，研究人员分别采用了PNIPAm、PHEMA、明胶以及PAAm-Alginate等水凝胶体系。

图3. 打印的硬骨架水凝胶及复合水凝胶

力学性能测试

研究人员测量了复合水凝胶的力学性能。硬骨架水凝胶和软基体水凝胶模量可相差20倍以上，共聚焦显微镜照片及剥离实验显示两者产生了良好的粘接（图4A-C）。硬骨架纤维能够明显阻碍裂纹扩展（图4D, E），提高复合水凝胶的断裂韧性：对于软基体水凝胶，其断裂韧性仅为186±41 J/m²；硬骨架水凝胶断裂韧性为710±19 J/m²，而复合水凝胶则高达4599±545 J/m²（图4F）。循环试验显示，当能量释放率G>948 J/m²时，复合水凝胶中裂纹发生扩展；而能量释放率G＜441 J/m²时裂纹不会扩展，该值被视为复合水凝胶的疲劳门槛值（图4G-I）。

图4. 力学性能测试

复合水凝胶心脏瓣膜

研究人员进一步利用医学CT影像制作具有心脏瓣膜形状的复合水凝胶。首先对影像扫描结构进行重构（图5A），得到相应的三维模型。然后使用DLP打印出水凝胶瓣膜，包括基体水凝胶瓣膜（图5B）、瓣膜骨架（图5C）以及复合水凝胶瓣膜（图5D）。设计了模拟血液循环的水流循环体外测试系统(图5E)，在水流连续流动试验中，均质水凝胶经过560次循环后即在边缘处发生破坏（视频1，21秒，均质水凝胶瓣膜），而复合水凝胶经过10000次循环后仍然保持完整(图5F)（视频2，15秒，复合水凝胶瓣膜），图5G为水凝胶瓣膜前后压降在循环水流作用下的情况。均质水凝胶疲劳寿命短，失效时瓣膜前后压差急剧下降；而复合水凝胶瓣膜前后压差在50000次循环中仍保持相对稳定，展示出优异的抗疲劳性能。

视频1

视频2

图5. 使用心脏瓣膜医学影像制作的复合水凝胶

研究人员基于医学影像，利用数字光固化打印技术制作了具有心脏瓣膜形状的抗疲劳复合水凝胶，保证高拉伸性的同时具有良好的抗疲劳性质，在体外模拟实验中表现出类似瓣膜维持液体持续单向流动的功能。该研究解决了水凝胶材料长期存在的困难，为其生物医学应用提供了广阔的前景。研究人员期望未来能制作出同时满足力学性能及生物相容性要求的心脏瓣膜。

论文第一作者为西安交通大学航天航空学院毕业硕士生杨航（现为哈佛大学在读博士）、共同第一作者姬梦柯，通讯作者为西安交通大学唐敬达副教授和哈佛大学锁志刚教授，佐治亚理工学院齐航教授为论文共同作者。

上述研究得到了国家自然科学基金重点国际（地区）合作研究项目、青年项目等的资助。由西京医院杨剑教授提供CT影像，西安马克医疗科技有限公司提供水流循环体外测试系统，苏州茵络医疗器械有限公司及苏州凝智新材料发展有限公司提供技术支持。

论文链接：

https://authors.elsevier.com/a/1cpj39CyxcxOJT

作者简介：

唐敬达，西安交通大学副教授，北京大学与哈佛大学联合培养博士（导师为方岱宁院士和锁志刚院士），2017年进入西安交通大学航天航空学院工作，在软物质力学领域开展研究。发表论文20余篇，其中以第一/通讯作者发表在J. Mech. Phys. Solids, Adv. Funct. Mater., ACS Appl. Mater. Interfaces等期刊上。

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